挑戰薄型化與性能極限PCB優化手機設計改善散熱困境
- 魏淑芳
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智慧型手機性能要求越來越高，加上產品在體積、厚度極致薄化，甚至在手持、貼附臉頰通話使用情境限制下，必須在設計上考量散熱效率與實際使用條件，增加產品開發難度…
智慧型手機、行動運算裝置持續追求小型化、高性能化設計，雖然在運算核心晶片的性能提升方面，仍可透過新製程、更小的線徑與高效能架構提升整體運做性能，但性能提高的同時也帶來了更多新問題，如功耗、散熱、電磁防護等，這些設計問題在大體積的電腦、筆記型電腦或是其他中型尺寸3C設備可以利用機殼機構或主動散熱架構改善熱處理問題，但若對行動裝置、小型化智能設備，整體散熱設計就成了新的開發瓶頸。
3C產品追求高效能 帶來散熱設計新問題
尤其是新一代行動裝置，越來越講究聲、光娛樂效果，需要高性能3D與顯示加速晶片增強視覺體驗，高性能提升帶來的第一個大問題就核心運算處理器高頻運作產生的熱源散逸問題，若是金屬機殼產品，或許可以受益於金屬高導熱特性將機內產生的溫度透過機殼傳導散出，但散出溫度也不能無節制全透過機殼傳導，積累溫度提升也會導致機體容易高溫的負面體驗產生。
新一代的多核心運算處理器，已透過晶片多核心協同運作的架構方式，讓單一核心運算晶片可以透過多核協同運行的機制，減輕單核心設計的負載、功耗，透過多核心部署，在提升整體運算晶片性能的同時，也可利用多核架構分散運算負載，甚至在待機狀態下轉換至效能足以滿足基礎運算性能的低功耗核心，達到節約整體電源管理、降低功耗效用。
異質核心半導體封裝 改善元器件特性
除架構上的優化途徑外，半導體的封裝技術也可達到一定的散熱優化效用，尤其在多核心架構或是異質核心設計方面，新的半導體封裝技術已經可以達到除了可以整合多組數為邏輯運算晶片外，還可以把類比晶片使用封裝技術一併整合成單一複合元件，成為複合元件的好處相當多。
首先，電子裝置成本關鍵的料件表光是整合元件就能讓長長的料件清單少掉一大半，電子元器件的採購成本也可受益大幅縮減，另一個特點是獨立的元件數量一多，等於是多個發熱的節點產生，將元器件整合於單一晶片，可以將專注處理重點區塊的散熱處理，甚至可以導入新穎的導熱材料優化設計。
元器件集中化的優點還有很多，例如，可讓PCB電路載板的面積大幅縮減，但以往在功率元件或是高頻、高效能元器件的電路載板，還負有間接改善散熱的效用，但PCB縮減尺寸後，散熱的主要負荷就必須透過導熱、散熱材料、機殼等處理核心溫度優化問題，集中處理的好處相當多，可以讓開發者針對重點散熱問題進行改善，透過導熱/散熱材料搭配組合達到最佳效益，也能有效控制效果與成本。
行動裝置元器件布局 影響散熱設計
在行動裝置的元器件布局，因為不同元件特性、功耗、功率密度差異，也會讓載板本身的運行溫度分布產生極大差距，尤其是行動裝置內的元器件布局相對緊湊，零件與零件之間的間距極小，不僅是重點數位邏輯、高頻元器件容易產生高溫，對於類比／功率元器件也會碰上同樣的問題。
裝置本身會因為元件的電力供應需求不同，通常需搭配DC/DC轉換器整合電路，基本上DC/DC轉換器最高轉換能效並無法達到理想的100%，損失的能量大多轉換成熱能，若積體電路、元器件布局緊湊，加上機殼空間薄化影響散熱，基本上熱阻問題也會使得散熱設計不容易處理。
採用SMT製作方式 搭配PCB優化熱傳導效益
減少行動裝置熱量的設計方法，其實可透過幾種方案進行改善，一，可利用PCB電路載板來進行散熱優化，若IC、元器件、功率元件可以採用SMT(Surface Mount Technology)表面貼焊方式組裝配置，PCB本身即有大量的高導熱的銅質連通孔徑、銅箔電路層可將半導體、元器件產生的熱源傳導出來，半導體或是元器件產製的熱量可以透過封裝體或是元件下方接觸PCB進行傳導，以半導體元件來說，若封裝體本身熱阻夠低、接觸／傳導至PCB的熱阻也能受到控制，基本上就能為整體電路達到不錯的散熱優化。
另一個方式為增加機殼內的空氣流動，因冷氣流的流動可以讓封裝體的熱快速被帶走、散逸，但和可惜的是行動裝置的內部空間緊湊，並不容易使用擴大機殼的概念增加冷空氣對流，甚至新的設計都要讓行動裝置兼具防水、防塵，機殼、連接器機構等設置防水/防塵元件或結構，都會導致積體外部的冷空氣不易在機殼內流通，自然影響散熱效果。
至於，增加氣流流動的方案還可選擇追加主／被動散熱處理，主動散熱為設置如導熱管至風扇處理，但可惜的是行動裝置要求電源功耗最小化，增加風扇自然會提高耗電，機體也無足夠空間設置熱導管或是其他被動散熱的金屬散熱鰭片。
面對機構的限制，最具效益的方案自然為前者，採用PCB電路載板優化散熱效果方案，可由PCB設計階段即使用更多銅材料進行導電層、連通孔徑的處理，透過降低PCB本身的熱阻、增加熱傳導效率方式，讓整體電子電路在有限空間的機構中達到最佳化的散熱、導熱效果，快速將機殼內部元器件的溫度傳導至散熱貼片或是機殼。
